SIMULASI KONDUKSI TERMAL DALAM RESERVOIR GEOTHERMAL Disusun untuk memenuhi Tugas pengganti Ujian Akhir Semester Mata kuliah Metode Numerik II Oleh: Aldi Yudha A 140710110004 Syaiful Yazan 140710110006 Yohana Casturina 140710110023 Dosen : Dr. Irwan Ary Dharmawan,M.Si NIP 19720531 199702 1 001 PROGRAM STUDI GEOFISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN 2014
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
SIMULASI KONDUKSI TERMAL
DALAM RESERVOIR GEOTHERMAL
Disusun untuk memenuhi Tugas pengganti Ujian Akhir Semester
Mata kuliah Metode Numerik II
Oleh:
Aldi Yudha A 140710110004
Syaiful Yazan 140710110006
Yohana Casturina 140710110023
Dosen :
Dr. Irwan Ary Dharmawan,M.Si
NIP 19720531 199702 1 001
PROGRAM STUDI GEOFISIKA JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PADJADJARAN
2014
Geothermal
1. Pengertian Geothermal
Secara harfiah, geothermal (yang dalam bahasa Indonesia “panas bumi”) berasal dari kata geo
yang berarti bumi dan thermal yang berarti panas. Sehingga dapat diartikan sebagai panas yang
terkandung secara alamiah di dalam bumi. Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia (1995) panas
bumi adalah sumber energi, seperti air panas, uap panas, serta gas-gas lain yang terdapat di dalam
perut bumi, sedangkan Leibowitz (1978′) mendefinisikan energi panas bumi sebagai sejumlah
panas yang berasal dari bumi dan berada cukup dekat dengan permukaan bumi sehingga dapat
digunakan secara ekonomi.
Gambar 1. Lapisan Bumi
Geothermal dapat juga dimaknai sebagai energi panas yang terbentuk secara alami
dibawah permukaan bumi. Perhatikan gambar di atas. Kerak bumi (crust), yang merupakan lapisan
terluar yang keras/padat berupa batu, mampu menahan aliran panas yang berasal dari bawah
permukaan bumi. Sementara mantel bumi (mantle) merupakan lapisan yang semi-cair atau batuan
yang meleleh atau sedang mengalami perubahan fisik akibat pengaruh tekanan dan temperatur
tinggi disekitarnya. Sedangkan bagian luar dari inti bumi (outer core) berbentuk liquid. Akhirnya,
lapisan terdalam dari inti bumi (inner core) berwujud padat.
Jauh dibawah permukaan bumi terdapat panas yang sangat tinggi sehingga semua batuan
dan benda berubah menjadi cair.Batuan cair yang bersuhu tinggi tersebut
dinamakan ”magma”.Semenjak terjadinya bumi,magma tersebut selalu memanasi kerak bumi
yang merupakan bagian terluar dari bumi sampai kedalaman 15 km(jari-jari bumi :6371
km).Kerak tersebut mengandung air yang ikut terpanasi.Apabila air tersebut dapat tembus atau
muncul kepermukaan bumi dan bebas dari tekanan yang disebabkan oleh kedalamannya,maka
akan berubah menjadi uap panas,kubangan lumpur panas ataupun sebagian mata air
panas(Saptadji Miryani Nenny,1992)
Sistem panas bumi dialam mencakup system hidrotermal yang merupakan system tata air,
proses pemanasan dan kondisi sistim dimana air yang terpanaskan terkumpul.Sistem panas
memiliki syarat sebagai berikut :
a. Adanya Peresapan air tanah dalam (air meteorik).
b. Adanya sumber panas berupa “kantong magma,baik sisa dari gunung api maupun
terobosan magma dikedalaman(stock).
c. Adanya susunan batuan, yang terdiri dari batuan tudung kedap air uap, batuan sarang yang
tembus air uap dan batuan kedap sebagai penghantar panas.
d. Adanya gejala struktur, umumnya patahan yang menjebak bagi tersebarnya manifestasi
panas bumi dipermukaan.
Keseluruhan parameter diatas bekerja saling terkait membentuk system panas bumi.Batuan
panas akan berfungsi sebagai sumber pemanas air yang dapat berwujud tubuh terobosan
granit.Pada umumnya sumber panas bumi terdapat di jalur gunung api, maka sebagai sumber
panas adalah magma atau batuan yang telah mengalami radiasi panas dari magma
2. Terjadinya Lumpur Panas dan Panas Bumi
Untuk memahami bagaimana panas bumi terbentuk, bisa dianalogikan bumi ini dengan telur
ayam yang direbus. Bila telur rebus tadi dibelah, maka kuning telurnya itu dapat dipandang
sebagai perut bumi. Kemudian putih telur itulah lapisan-lapisan bumi, dan kulitnya itu merupakan
kulit bumi. Di bawah kulit bumi, yaitu lapisan atas merupakan batu-batuan dan lumpur panas yang
disebut magma. Magma yang keluar ke permukaan bumi melalui gunung disebut dengan lava.
Setiap 100 meter kita turun ke dalam perut bumi, temperatur batu-batuan cair tersebut naik sekitar
300C. Jadi semakin jauh ke dalam perut bumi suhu batu-batuan maupun lumpur akan makin tinggi.
Bila suhu di permukaan bumi adalah 270C maka untuk kedalaman 100 meter suhu bisa mencapai
sekitar 300C. Untuk kedalaman 1 kilometer suhu batu-batuan dan lumpur bisa mencapai 57-600
C. Bila kita ukur pada kedalaman 2 kilometer suhu batuan dan lumpur bisa mencapai 1200 C atau
lebih. Lebih panas dari air rebusan yang baru mendidih. Bahkan bila lumpur ini menyembur keluar
pun masih tetap panas.
Di dalam kulit bumi ada kalanya aliran air dekat sekali dengan batu-batuan panas di mana suhu
bisa mencapai 1480 C. Air tersebut tidak menjadi uap (steam) karena tidak ada kontak dengan
udara. Bila air panas tadi bisa keluar ke permukaan bumi karena ada celah atau terjadi retakan di
kulit bumi, maka timbul air panas yang biasa disebut dengan hot spring. Air panas alam (hot
spring) ini biasa dimanfaatkan sebagai kolam air panas, dan banyak pula yang sekaligus menjadi
tempat wisata.
Kadang-kadang air panas alami tersebut keluar sebagai geyser. Di Amerika sekitar 10.000
tahun yang lalu suku Indian mengguna-kan air panas alam (hot spring) untuk memasak, di mana
daerah sekitar mata air tersebut adalah daerah bebas (netral). Beberapa sumber air panas dan
geyser malah dikeramatkan suku Indian pada masa lalu seperti California Hot Springs dan Geyser
di daerah wisata Napa, Cali-fornia. Saat ini panas alam bahkan digunakan sebagai pemanas
ruangan di kala musim dingin seperti yang terdapat di San Bernardino, Cali-fornia Selatan. Hal
yang sama juga dapat kita temui di Islandia (country of Iceland) dimana gedung-gedung dan kolam
renang dipanaskan dengan air panas alam (hot spring) yang kadang kala disebut dengan
geothermal hot water.
Selain sebagai pemanas, panas bumi ternyata dapat juga mengha-silkan tenaga listrik. Di atas
telah di-sebutkan bahwa air panas alam ter-sebut bila bercampur dengan udara karena terjadi
fraktur atau retakan maka selain air panas akan keluar juga uap panas (steam). Air panas dan steam
inilah yang kemudian dimanfaatkan sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Agar panas bumi
(geothermal) tersebut bisa dikonversi menjadi ener-gi listrik tentu diperlukan pembangkit (power
plants).
Pembangkit (power plants) untuk pembang-kit listrik tenaga panas bumi dapat beroperasi pada
suhu yang relatif rendah yaitu berkisar antara 122 s/d 4820 F (50 s/d 2500 C). Banding-kan dengan
pembangkit pada PLTN yang akan beroperasi pada suhu sekitar 10220 F atau 5500 C. Inilah salah
satu keunggulan pembangkit listrik geothermal. Keuntungan lainnya ialah bersih dan aman,
bahkan geothermal adalah yang terbersih dibandingkan dengan nuklir, minyak bumi dan batu bara.
3. Terjadinya Sistem Panas Bumi
Pada dasarnya sistim panas bumi terbentuk sebagai hasil perpindahan panas dari suatu sumber
panas ke sekelilingnya yang terjadi secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas
secara konduksi terjadi melalui batuan, sedangkan perpindahan panas secara konveksi terjadi
karena adanya kontak antara air dengan suatu sumber panas. Perpindahan panas secara konveksi
pada dasarnya terjadi karena gaya apung (bouyancy). Air karena gaya gravitasi selalu mempunyai
kecenderungan untuk bergerak kebawah, akan tetapi apabila air tersebut kontak dengan suatu
sumber panas maka akan terjadi perpindahan panas sehingga temperatur air menjadi lebih tinggi
dan air menjadi lebih ringan. Keadaan ini menyebabkan air yang lebih panas bergerak ke atas dan
air yang lebih dingin bergerak turun ke bawah, sehingga terjadi sirkulasi air atau arus konveksi.
Gambar 2. Perpindahan Panas Di Bawah Permukaan
Terjadinya sumber energi panas bumi di Indonesia serta karakteristiknya dijelaskan oleh
Hazuardi (1992) sebagai berikut. Ada tiga lempengan yang berinteraksi di Indonesia, yaitu
lempeng Pasifik, lempeng India-Australia dan lempeng Eurasia(Gambar 2.3). Tumbukan yang
terjadi antara ketiga lempeng tektonik tersebut telah memberikan peranan yang sangat penting
bagi terbentuknya sumber energi panas bumi di Indonesia. Tumbukan antara lempeng India-
Australia di sebelah selatan dan lempeng Eurasia di sebelah utara mengasilkan zona penunjaman
(subduksi) di kedalaman 160 - 210 km di bawah Pulau Jawa-Nusatenggara dan di kedalaman
sekitar 100 km (Herdiannita, 2006) di bawah Pulau Sumatera. Hal ini menyebabkan proses
magmatisasi di bawah Pulau Sumatera lebih dangkal dibandingkan dengan di bawah Pulau Jawa
atau Nusatenggara. Karena perbedaan kedalaman jenis magma yang dihasilkannya berbeda. Pada
kedalaman yang lebih besar jenis magma yang dihasilkan akan lebih bersifat basa dan lebih cair
dengan kandungan gas magmatik yang lebih tinggi sehingga menghasilkan erupsi gunung api yang
lebih kuat yang pada akhirnya akan menghasilkan endapan vulkanik yang lebih tebal dan
terhampar luas. Oleh karena itu, reservoir panas bumi di Pulau Jawa umumnya lebih dalam dan
menempati batuan volkanik, sedangkan reservoir panas bumi di Sumatera terdapat di dalam batuan
sedimen dan ditemukan pada kedalaman yang lebih dangkal.
Gambar 2.4 Konfigurasi Tektonik di Sepanjang Busur Kepulauan Indonesia,Hasil Interaksi
Tiga Lempeng Tektonik: Lempeng Pasifik, Lempeng Indo-Australia dan Lempeng Eurasia
(Saptadji Miryani Nenny, 1992)
4. Karakteristik Sumber Panas Bumi
Langkah awal dalam rangka penyiapan konservasi energi panas bumi adalah studi sistem
panas bumi itu sendiri terutama melalui pemahaman terhadap karakteristik sumber panas bumi
sebagai bagian penting dalam sistem, diantaranya berkaitan dengan :
a. Dapur magma sebagai sumber panas bumi
b. Kondisi hidrologi
c. Manifestasi panas bumi
Dapur magma sebagai sumber panas bumi
Pada dasarnya energi panas yang dihasilkan oleh suatu wilayah gunungapi
mempunyai kaitan erat dengan sistem magmatik yang mendasarinya, dan salah satu
karakteristik penunjang potensi panas bumi adalah letak dapur magmanya di bawah
permukaan sebagai sumber panas (heat source).
Terutama di daerah-daerah yang terletak di jalur vulkanik-magmatik, ukuran dapur
magma itu sendiri berhubungan erat dengan kegiatan vulkanisma. Dalam
perjalanannya menuju permukaan, magma akan mengalami proses diferensiasi dan
berevolusi menghasilkan susunan kimiawi yang berbeda sesuai kedalaman. Dapur
magma yang terbentuk pada kedalaman menengah kemungkinan terkontaminasi oleh
bahan-bahan kerak bumi yang kaya akan silika dan gas, sehingga bersifat lebih
eksplosif. Volumenya dapat diperkirakan dari kenampakan-kenampakan fisik berupa
ukuran kaldera, distribusi lubang kepundan, pola rekahan, pengangkatan topografi dan
hasil erupsi gunungapi; atau melalui cara identifikasi dengan metoda geofisika
(bayangan seismik atau anomali geofisika lainnya.
Magma akan mengalirkan sejumlah panas yang signifikan ke dalam batuan-batuan
pembentuk kerak bumi, makin besar ukuran dapur magma maka semakin besar pula
sumber daya panasnya, dimana secara ekonomis menjadi ukuran jumlah energi yang
dapat dimanfaatkan dari suatu sumber panas bumi.
Kondisi Hidrologi
Pada busur kepulauan dengan kegiatan vulkanisma/magmatisma masih berjalan,
dimana magma di bawah permukaan berinteraksi dengan lokasi-lokasi bersiklus basah
atau cukup persediaan air; akan terjadi pendinginan magma dan proses hidrotermal
untuk menciptakan lingkungan fasa uap-air bersuhu/bertekanan tertentu, yang
memberikan peluang terjadinya sistem panas bumi aktif.
Demikian pentingnya peranan air dalam mempertahankan kelangsungan sistem
panas bumi sehingga sangat dipengaruhi oleh siklus hidrologi, yang diyakini dapat
terjaga keseimbangannya apabila pasokan dari lingkungan tidak terhenti. Keberadaan
sumber-sumber air lainnya seperti air tanah, air connate, air laut/danau, es atau air
hujan akan sangat dibutuhkan sebagai pemasok kembali (recharge) air yang hilang
mengingat kandungan air dalam magma (juvenile) tidak mencukupi jumlah yang
dibutuhkan dalam mempertahankan proses interaksi air – magma.
Kondisi hidrologi pada suatu sistem panas bumi sangat dipengaruhi oleh bentang
alam lingkungan dimana terjadiya, dan berperan terutama dalam membentuk
manifestasi-manifestasi permukaan yang dapat memberikan petunjuk tentang
keberadaan sumber panas bumi di bawah permukaan. Pada daerah berelief (topografi)
rendah, manifestasi-manifestasi panas bumi dapat berbentuk mulai dari kolam air
panas dengan pH mendekati netral, pengendapan sinter silika hingga zona-zona uap
mengandung H2S yang berpeluang menghasilkan fluida bersifat asam; menandakan
bahwa sumber fluida hidrotermal/panas bumi berada relatif tidak jauh dari permukaan.
Sementara pada daerah dengan topografi tingi (vulkanik andesitik) dimana
kenampakan manifestasi berupa fumarol atau solfatara, menggambarkan bahwa
sumber panas bumi berada pada kondisi relatif dalam; yang memerlukan waktu dan
jarak panjang untuk mencapai permukaan.
Manifestasi Panas Bumi di Permukaan
Berbeda dengan sistim minyak-gas, adanya suatu sumber daya panas bumi di
bawah permukaan sering kali ditunjukkan oleh adanya manifestasi panas bumi di
permukaan (geothermal surface manifestation), seperti mata air panas, kubangan
lumpur panas (mud pools), geyser dan manifestasi panasbumi lainnya, dimana
beberapa diantaranya, yaitu mata air panas, kolam air panas sering dimanfaatkan oleh
masyarakat setempat untuk mandi, berendam, mencuci, masak dll.Manifestasi
panasbumi di permukaan diperkirakan terjadi karena adanya perambatan panas dari
bawah permukaan atau karena adanya rekahan-rekahan yang memungkinkan fluida
panas bumi (uap dan air panas) mengalir ke permukaan (Hazuardi,1992).
1) Tanah Hangat (Warm Ground)
Adanya sumber daya panas bumi yang ada dibawah permukaan tanah dapat
ditunjukan antara lain adanya tanah yang mempunyai temperature tanah sekitarnya.
Hal ini terjadi karena adanya perpindahan panas secara konduksi dari batuan bawah
permukaan ke batuan permukaan.
Berdasarkan pada besarnya gradien temperatur, Saptadji Miryani Nenny(1992)
mengklasifikasikan area di bumi sebagai berikut:
a. Area tidak panas (non-thermal area)
Suatu area diklasifikasikan sebagai area tidak panas apabila gradien temperatur
di area tersebut sekitar 10-400C/km.
b. Area panas (thermal area)
Area panas dibedakan menjadi dua, yaitu:
Area semi thermal, yaitu area yang mempunyai gradien temperatur sekitar 70-
800C/km. Area hyperthermal, yaitu area yang mempunyai gradien temperatur
sangat tinggi. Contohnya adalah di Lanzarote (Canary Island)besarnya gradien
temperatur sangat tingi sekali hingga besarnya tidak lagi dinyatakan dalam 0C/km
tetapi dalam 0C/cm.
2) Permukaan Tanah Beruap
Dibeberapa daerah tempat dimana uap panas (steam) nampak keluar dari
permukaan tanah.Jenis manifestasi ini disebut steaming ground dimana uap panas
tersebut berasal dari suatu lapisan tipis dekat permukaan yang mengandung air
panas yang mempunyai temperatur sama atau lebih besar dari titik didihnya
(boiling point).Untuk mengukur temperature dapat digunakan bimetallic strip type
thermometer.
Besarnya temperatur di permukaan sangat tergantung dari laju aliran uap